CN113176461A - 一种综合接触和材料非线性的无源互调预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，该方法首先对器件的材料成分和所占比重进行确定，能够将器件非线性来源进行预判，然后考虑接触面的两种接触状态和器件中存在的磁性金属，将形成的4种非线性电阻整合到一个等效电路中，能够同时分析接触和材料的非线性效应对无源互调的影响，并采用4个可调比例因子进行优化，从而确定完整的综合了接触和材料非线性影响的无源互调预测模型，能够更加精确地对信号频率、功率对互调产物的影响进行定量研究，同时，也能对高阶的互调产物的功率进行精确预测。

Description

一种综合接触和材料非线性的无源互调预测方法

技术领域

本发明涉及无源互调，具体涉及一种综合接触和材料非线性的无源互调预测方法。

背景技术

无源互调是一种通信系统中由无源器件自身微弱的非线性效应引起的干扰现象。对于无源器件互调水平的定量研究一直以来是本领域亟待解决的关键问题。

在工程应用中，大多采用基于实验测量的方法，得到无源互调产物功率(如：三阶互调产物、五阶互调产物等)的大小，以此来衡量无源器件的非线性水平。然而，基于实验的互调特性评估难以从根本上解决无源互调干扰。通过大量和重复的实验只能检验出某个或者某类器件的非线性水平，无法对低互调产品的设计以及互调干扰抑制提出可行的建议和方案选择。因此，需要开展基于理论研究的无源互调产物功率预测方法的研究。

根据工程经验，可以定性地得出引起无源器件非线性产生的主要来源有两个：一是由接触不稳定带来的接触非线性；二是由于使用磁性材料引入的材料非线性。在现有的理论研究中，两种非线性因素引起的互调功率被分别研究与建模，在一定程度上给出了接触特性和材料特性与互调功率之间的定量关系。但是，在实际应用中，两种非线性是同时存在于各类无源器件的，共同决定着器件的非线性特征。因此，基于单一非线性因素建模的无源互调产物功率的预测方法缺乏实际意义，并且单一非线性源的互调干扰模型在高阶互调功率预测、互调产物的功率频率依赖性等的定量研究方面具有较大误差。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，以解决现有技术中预测结果与实际应用脱离、高阶互调产物预测精度不佳、互调产物频率功率依赖性预测误差大等一系列问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，包括以下步骤：

S1、对射频无源微波器件进行能谱分析，获取射频无源微波器件探测结果；

S2、根据步骤S1得到的探测结果判断射频无源微波器件中是否包含磁性金属元素；若是，则执行步骤S3；否则执行步骤S4；

S3、对射频无源微波器件的体电阻区域进行材料非线性分析，形成非线性模型电阻，并执行步骤S5；

S4、对射频无源微波器件的内外导体接触区域进行接触非线性分析，形成非线性模型电阻；

S5、根据步骤S3和S4形成的非线性模型电阻构建综合接触材料非线性的等效电路模型；

S6、设定各个非线性模型电阻的可调比例因子，采用谐波平衡法进行仿真优化，得到优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型；

S7、利用步骤S6优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型进行射频无源微波器件互调预测。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下分步骤：

S31、对射频无源微波器件的体电阻区域进行材料非线性分析；

S32、基于射频无源微波器件镀层中的磁性金属形成第一非线性模型电阻；

S33、基于射频无源微波器件基底材料中的磁性金属形成第二非线性模型电阻。

进一步地，所述步骤S4具体包括以下分步骤：

S41、对射频无源微波器件的内外导体接触区域进行接触非线性分析；

S42、对射频无源微波器件的内外导体接触区域进行微观检测，判断是否存在表面膜层或污染区域；若是，则执行步骤S43；否则执行步骤S44；

S43、基于射频无源微波器件膜层电阻隧道效应非线性失真形成第三非线性模型电阻；

S44、基于射频无源微波器件内外导体接触区域电流密度过大引起截顶失真形成第四非线性模型电阻。

进一步地，所述步骤S5具体包括：

根据步骤S3形成的第一非线性模型电阻、第二非线性模型电阻，和步骤S4形成的第三非线性模型电阻、第四非线性模型电阻，构建综合接触材料非线性的等效电路模型；其中第一非线性模型电阻和第二非线性模型电阻组成并联结构，第三非线性模型电阻和第四非线性模型电阻组成并联结构，两个并联结构组成串联结构。

进一步地，所述步骤S6具体包括以下分步骤：

S61、根据流经镀镍层的电流占总电流的比例设置第一非线性模型电阻的第一可调比例因子；

S62、根据流经基底材料的电流占据总电流的比例设置第二非线性模型电阻的第二可调比例因子；

S63、根据金属-氧化层-金属接触点占总接触点的比例设置第三非线性模型电阻的第三可调比例因子；

S64、根据金属-金属接触点占总接触点的比例设置第四非线性模型电阻的第四可调比例因子；

S65、采用谐波平衡法对设定可调比例因子后的综合接触材料非线性的等效电路模型进行电流仿真，判断仿真结果是否与实测结果一致；若是，则得到优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型；否则返回步骤S61。

进一步地，所述第一可调比例因子和第二可调比例因子之和小于1。

进一步地，所述第三可调比例因子和第四可调比例因子之和为1。

进一步地，所述步骤S7具体包括：

在步骤S6优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型中扫描输入信号频率，得到射频无源微波器件互调产物随信号频率变化的定量预测结果。

进一步地，所述步骤S7具体包括：

在步骤S6优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型中扫描输入信号功率，得到射频无源微波器件互调产物随信号功率变化的定量预测结果。

进一步地，所述步骤S7具体包括：

在步骤S6优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型中扩展信号展开阶数，得到射频无源微波器件高阶互调产物功率的定量预测结果。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明首先对器件的材料成分和所占比重进行确定，能够将器件非线性来源进行预判，对器件产生无源互调干扰的原因是否包含接触非线性和材料非线性进行确定，节约后续定量分析和预测时间；

(2)本发明在接触非线性的特征建模时，考虑了接触面的两种接触状态，即“金属-金属”截顶失真和“金属-氧化层-金属”隧道效应，符合实际的无源器件接触状态，提高了无源互调预测结果的准确性；

(3)本发明在材料非线性特征建模时，考虑镀层和基底材料中存在的磁性金属，符合实际器件组装工艺，提高了无源互调预测结果的准确；

(4)本发明采用了一个等效电路建模思路，将4种非线性电阻整合到一个等效电路中，能够同时分析接触和材料的非线性效应对无源互调的影响，提高了无源互调预测结果的准确；

(5)本发明采用4个可调因子，通过与实验结果的对比，不断调整和优化四个非线性电阻影响占比，最终实现仿真结果与实测结果的匹配，从而确定完整的综合了接触和材料非线性影响的无源互调预测模型，相对于目前的技术，能够更加精确地对信号频率、功率对互调产物的影响进行定量研究，同时，也能对高阶的互调产物的功率进行精确预测。

附图说明

图1为本发明的无源互调预测方法流程示意图。

图2为本发明的综合接触材料非线性的等效电路模型结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参照图1，本发明实施例提供了一种综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，包括以下步骤S1至S7：

S1、对射频无源微波器件进行能谱分析，获取射频无源微波器件探测结果；

在本实施例中，本发明以N型射频同轴连接器为例，采用X射线能谱仪对N型射频同轴连接器的材料成分与比重进行探测。

S2、根据步骤S1得到的探测结果判断射频无源微波器件中是否包含磁性金属元素；若是，则执行步骤S3；否则执行步骤S4；

在本实施例中，本发明根据步骤S1获取的探测结果，判断N型射频同轴连接器中是否包含铁、钴、镍等磁性金属元素；若N型射频同轴连接器中包含磁性金属元素，则对N型射频同轴连接器进行接触非线性分析和材料非线性分析，执行步骤S3；若N型射频同轴连接器中不包含磁性金属元素，则只对N型射频同轴连接器进行接触非线性分析，执行步骤S4。

S3、对射频无源微波器件的体电阻区域进行材料非线性分析，形成非线性模型电阻，并执行步骤S5；

在本实施例中，步骤S3具体包括以下分步骤：

S31、对N型射频同轴连接器的体电阻区域进行材料非线性分析；

S32、基于N型射频同轴连接器镀层中的磁性金属形成第一非线性模型电阻；

具体而言，N型射频同轴连接器镀层材料的非线性源来自镀镍层，作为基底和表面镀层之间的过渡层而存在，基于磁性金属特有的铁磁效应和磁滞效应，形成第一非线性模型电阻。

S33、基于N型射频同轴连接器基底材料中的磁性金属形成第二非线性模型电阻。

具体而言，N型射频同轴连接器基底材料中的非线性源来自合金中的微量磁性金属铁元素，形成第二非线性模型电阻。

S4、对射频无源微波器件的内外导体接触区域进行接触非线性分析，形成非线性模型电阻；

在本实施例中，步骤S4具体包括以下分步骤：

S41、对N型射频同轴连接器的内外导体接触区域进行接触非线性分析；

S42、对N型射频同轴连接器的内外导体接触区域进行微观检测，判断是否存在表面膜层或污染区域；若是，则执行步骤S43；否则执行步骤S44；

具体而言，本发明采用扫描电子显微镜对N型射频同轴连接器的内外导体接触区域进行微观检测，判断是否存在表面膜层或污染区域；若检测到内外导体接触区域表面存在氧化物或污染膜，则执行步骤S43；若检测到内外导体接触区域表面洁净，不存在氧化膜或者污染物，则执行步骤S44。

S43、基于射频无源微波器件膜层电阻隧道效应非线性失真形成第三非线性模型电阻；

具体而言，若检测到内外导体接触区域表面存在氧化物或污染膜，金属-金属的连接被绝缘层隔开，形成“金属-氧化物-金属”的接触结构，此时由于电子隧道效应，当氧化膜层小于10nm时，电流可以传递，此时形成第三非线性模型电阻。

S44、基于射频无源微波器件内外导体接触区域电流密度过大引起截顶失真形成第四非线性模型电阻。

具体而言，微观的接触表面呈现尖峰接触状态，金属与金属通过表面的微凸起进行连接，在洁净的金属-金属接触区域会出现电流收缩现象，从而形成收缩电阻，当接触点上的电流过大时，则会引起电流的截顶传输，从而引起非线性失真，形成第四非线性模型电阻。

S5、根据步骤S3和S4形成的非线性模型电阻构建综合接触材料非线性的等效电路模型；

在本实施例中，步骤S5具体包括：

根据步骤S3形成的第一非线性模型电阻、第二非线性模型电阻，和步骤S4形成的第三非线性模型电阻、第四非线性模型电阻进行等效电路建模，构建综合接触材料非线性的等效电路模型。

参照图2，综合接触材料非线性的等效电路模型中接触非线性发生在连接区域，材料非线性发生在体电阻区域，两者呈现串联关系。其中体电阻区域中镀层材料非线性电阻Rn1，即第一非线性模型电阻和基底材料非线性电阻Rn2，即第二非线性模型电阻并联；接触区内的膜层电阻Rn3，即第三非线性模型电阻和直接金属接触点上电流截顶失真产生的非线性电阻Rn4，即第四非线性模型电阻呈并联关系。第一非线性模型电阻和第二非线性模型电阻组成并联结构，第三非线性模型电阻和第四非线性模型电阻组成并联结构，两个并联结构组成串联结构。

S6、设定各个非线性模型电阻的可调比例因子，采用谐波平衡法进行仿真优化，得到优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型；

在本实施例中，步骤S6具体包括以下分步骤：

S61、根据流经镀镍层的电流占总电流的比例设置第一非线性模型电阻的第一可调比例因子；

S62、根据流经基底材料的电流占据总电流的比例设置第二非线性模型电阻的第二可调比例因子；

S63、根据金属-氧化层-金属接触点占总接触点的比例设置第三非线性模型电阻的第三可调比例因子；

S64、根据金属-金属接触点占总接触点的比例设置第四非线性模型电阻的第四可调比例因子；

具体而言，本发明设置4个可调比例因子，调节各个非线性电阻对整个连接器非线性特征的贡献占比，其中第一可调比例因子k1和第二可调比例因子k2之和为1，分别表示“金属-金属”接触点占总接触点的比例，和“金属-氧化层-金属”接触点占总接触点的比例；第三可调比例因子k3和第四可调比例因子k4之和小于1，k3表示流经镀镍层的电流占总电流的比例，k4表示流经基底材料的电流占据总电流的比例，由于趋肤效应的作用，这个比例与信号的频率有关，且在高频时，k4趋近于0，可忽略。

S65、采用谐波平衡法对设定可调比例因子后的综合接触材料非线性的等效电路模型进行电流仿真，判断仿真结果是否与实测结果一致；若是，则得到优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型；否则返回步骤S61。

S7、利用步骤S6优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型进行射频无源微波器件互调预测。

在本实施例中，步骤S7具体包括：

在步骤S6优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型中扫描输入信号频率，得到射频无源微波器件互调产物随信号频率变化的定量预测结果。

在步骤S6优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型中扫描输入信号功率，得到射频无源微波器件互调产物随信号功率变化的定量预测结果。

在步骤S6优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型中扩展信号展开阶数，得到射频无源微波器件高阶互调产物功率的定量预测结果。

参照图2，在进行射频无源微波器件互调预测时，可以利用耦合器输入两路信号1和信号2，进行耦合处理后通过优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型输出至负载，从而得到射频无源微波器件互调预测结果。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对射频无源微波器件进行能谱分析，获取射频无源微波器件探测结果；

S2、根据步骤S1得到的探测结果判断射频无源微波器件中是否包含磁性金属元素；若是，则执行步骤S3；否则执行步骤S4；

S3、对射频无源微波器件的体电阻区域进行材料非线性分析，形成非线性模型电阻，并执行步骤S5；

S4、对射频无源微波器件的内外导体接触区域进行接触非线性分析，形成非线性模型电阻；

S5、根据步骤S3和S4形成的非线性模型电阻构建综合接触材料非线性的等效电路模型；

S6、设定各个非线性模型电阻的可调比例因子，采用谐波平衡法进行仿真优化，得到优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型；

S7、利用步骤S6优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型进行射频无源微波器件互调预测。

2.根据权利要求1所述的综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下分步骤：

S31、对射频无源微波器件的体电阻区域进行材料非线性分析；

S32、基于射频无源微波器件镀层中的磁性金属形成第一非线性模型电阻；

S33、基于射频无源微波器件基底材料中的磁性金属形成第二非线性模型电阻。

3.根据权利要求2所述的综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下分步骤：

S41、对射频无源微波器件的内外导体接触区域进行接触非线性分析；

S42、对射频无源微波器件的内外导体接触区域进行微观检测，判断是否存在表面膜层或污染区域；若是，则执行步骤S43；否则执行步骤S44；

S43、基于射频无源微波器件膜层电阻隧道效应非线性失真形成第三非线性模型电阻；

S44、基于射频无源微波器件内外导体接触区域电流密度过大引起截顶失真形成第四非线性模型电阻。

4.根据权利要求3所述的综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

根据步骤S3形成的第一非线性模型电阻、第二非线性模型电阻，和步骤S4形成的第三非线性模型电阻、第四非线性模型电阻，构建综合接触材料非线性的等效电路模型；其中第一非线性模型电阻和第二非线性模型电阻组成并联结构，第三非线性模型电阻和第四非线性模型电阻组成并联结构，两个并联结构组成串联结构。

5.根据权利要求4所述的综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下分步骤：

S61、根据流经镀镍层的电流占总电流的比例设置第一非线性模型电阻的第一可调比例因子；

S62、根据流经基底材料的电流占据总电流的比例设置第二非线性模型电阻的第二可调比例因子；

S63、根据金属-氧化层-金属接触点占总接触点的比例设置第三非线性模型电阻的第三可调比例因子；

S64、根据金属-金属接触点占总接触点的比例设置第四非线性模型电阻的第四可调比例因子；

S65、采用谐波平衡法对设定可调比例因子后的综合接触材料非线性的等效电路模型进行电流仿真，判断仿真结果是否与实测结果一致；若是，则得到优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型；否则返回步骤S61。

6.根据权利要求5所述的综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，其特征在于，所述第一可调比例因子和第二可调比例因子之和小于1。

7.根据权利要求6所述的综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，其特征在于，所述第三可调比例因子和第四可调比例因子之和为1。

8.根据权利要求7所述的综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括：

在步骤S6优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型中扫描输入信号频率，得到射频无源微波器件互调产物随信号频率变化的定量预测结果。

9.根据权利要求8所述的综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括：

在步骤S6优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型中扫描输入信号功率，得到射频无源微波器件互调产物随信号功率变化的定量预测结果。

10.根据权利要求9所述的综合接触和材料非线性的无源互调预测方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括：

在步骤S6优化后的综合接触材料非线性的等效电路模型中扩展信号展开阶数，得到射频无源微波器件高阶互调产物功率的定量预测结果。

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